一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法与流程

本发明涉及薄膜太阳电池制造技术领域，具体涉及一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法。

背景技术：

随着社会的发展，人类对能源的需求将越来越多。在传统的化石能源使用过程中不仅面临着储量日趋减少的问题，还在使用过程中对环境造成了巨大的污染。所以，追求和使用清洁的、可再生的新能源成为当今人类共同关注的话题。太阳能作为一种绿色的清洁能源具有取之不尽、用之不竭的优势，被誉为最理想的绿色能源。太阳电池是一种直接把太阳能转换成电能的装置，具有广阔的应用前景。但是，目前光伏产业发展面临的最大问题在于：发电成高于传统的能源，其中电池组件的成本已占据系统价格的50％以上，因此开发高效、低成本、长寿命的太阳电池成为全世界研究的热点。目前占据国际光伏市场份额90％以上的产品均为晶体硅电池。但是，硅材料在生产过程中能耗比较大，以及晶体硅电池对原材料消耗大的缺点严重的制约着它们的发展。近年来，薄膜太阳电池以成本低、材料消耗少的优势受到越来越多的重视。主要的薄膜太阳电池包括硅基薄膜太阳电池、碲化镉太阳电池、铜铟镓硒太阳电池、有机太阳电池、染料敏化太阳电池以及最近发展迅速的钙钛矿太阳电池等。作为上述薄膜太阳电池的电极材料，透明导电氧化物(tco)薄膜是不可或缺的部分，其光、电及稳定性成为影响电池转换效率的一个重要的因素。目前常用的tco薄膜有sn掺杂in2o3薄膜(in2o3：sn，ito)、f掺杂sno2薄膜(sno2：f，fto)以及al、ga等掺杂的zno薄膜。虽然，ito和fto的光电性能较优，但是受其主要成分in、sn等原材料稀缺和毒性的制约，它们的大规模应用受到限制。zno薄膜以原材料丰富，无毒、掺杂后可见光区透过率高、导电性能优良的特性得到了广泛的研究，被认为是ito的替代材料。

在si基薄膜太阳电池中，为了增加电池吸收层对入射光的利用率，通常会在薄膜表面引入一定的绒面结构，利用其对入射光的散射增加光在吸收层中的光程。由于zno薄膜具有易于通过酸、碱溶液腐蚀制备出一定绒面结构和在h等离子体环境中性能稳定的特性，已经作为电极材料广泛的应用在si基薄膜太阳电池中。但是，对于有机、染料敏化以及钙钛矿等采用溶液法制备的太阳电池而言，由于制备的溶液具有一定的腐蚀性，这就限制了zno作为电极材料在上述电池中的应用。因此，在维持高电导和高透过的基础上，如何提高zno薄膜的化学稳定性对于扩展zno透明导电薄膜在太阳能电池领域的应用范围，对于降低电池的生产成本具有重要的研究意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，可有效的提高氧化锌薄膜的耐酸、碱腐蚀能力，实现zno透明导电薄膜作为电极材料在有机、染料敏化以及钙钛矿等采用溶液法制备的太阳电池中的应用，以达到降低电池生产成本的效果。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，包括如下步骤：

s1、将衬底依次在电子清洗液、去离子水中进行超声清洗，然后用氮气吹干；

s2、将干净的衬底放入溅射腔室，然后对溅射腔室抽真空，待真空度达到5×10⁵pa时，分别向溅射腔室通入氩气和氢气作为溅射气体，并通过闸板阀和混合气体流量对腔内气压进行调控；

s3、待腔室内的氩气稳定后，以高价态元素掺杂氧化锌为溅射靶材，采用磁控溅射技术在室温下进行氧化锌透明导电薄膜沉积，制备具有低电阻率、宽光谱透过且耐酸碱腐蚀的氧化锌透明导电薄膜。

其中，所述的高价态元素掺杂氧化锌为难溶于酸、碱溶液的高价态金属氧化物。

其中，所述的衬底为玻璃或聚酰亚胺等柔性材料。

其中，所述的衬底温度为25℃至350℃。

其中，所述氩气的流量为20-100sccm，氢气的流量为0.2-30sccm，氢气流量占溅射气体总流量的0.6％-20％，溅射气压0.2-1.0pa。

其中，所述高价态元素掺杂氧化锌陶瓷靶材为zno：nb2o5或zno：v2o5等。

其中，所述磁控溅射制备技术为脉冲直流磁控溅射或射频磁控溅射。

其中，所述氧化锌透明导电薄膜的厚度为1-2μm，400-1400nm平均透过率85％以上，方块电阻10-15ω/□，电阻率10^-4-10^-3ωcm。

本发明具有以下有益效果：

通过采用难溶于酸、碱的高价态元素掺杂氧化锌为靶材，同时在溅射气氛中引入氢气，利用氢与高价态元素共掺杂的方式，实现了低电阻率、高透过率和化学稳定性较强的氧化锌透明导电薄膜的制备；制备的氧化锌透明导电薄膜在400-1400nm平均透过率高于85％，方块电阻为10-15ω/□，电阻率为10^-4-10^-3ωcm；该薄膜可应用于有机太阳电池、染料敏化以及钙钛矿等太阳电池，有利于提高电池的转换效率，降低电池的生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1所得的氧化锌透明导电薄膜的透过谱。

图2为本发明实施例1所得的氧化锌透明导电薄膜的x射线衍射谱。

图3为本发明实施例1所得的氧化锌透明导电薄膜在hcl和naoh腐蚀溶液中方块电阻随腐蚀时间变化关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所述本发明的

实施例1

一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，采用射频磁控溅射技术制备，步骤如下：

1)将清洗后的玻璃衬底置于溅射腔室中；

2)将溅射腔室抽真空，本底真空为4.9×10^-5pa，采用氩气与氢气混合气氛溅射，氩气流量为28.8sccm，氢气流量为1.2sccm，氢气流量占溅射气体流量的4％，溅射气压0.13pa；

3)采用zno：nb2o5陶瓷靶材进行磁控溅射镀膜，其中nb2o5掺杂的质量比为2％，磁控溅射镀膜的工艺参数为：电极间距50mm、溅射功率180w、沉积时间28分钟，在玻璃衬底上制备的薄膜厚度为955.7nm的氧化锌透明导电薄膜。

测试结果显示：该氧化锌透明导电薄膜的方块电阻为13.42ω/□，迁移率为25.32cm²/vs，电阻率为1.282×10^-3ωcm。

综上，本具体实施在不牺牲氧化锌透明导电薄膜电学特性的同时，不仅有效的扩展了薄膜在长波区域的透过率，还提高了氧化锌透明导电薄膜的化学稳定性。由于该氧化锌透明导电薄膜同时具有化学稳定性好、低电阻率和宽光谱透过特性，使其可以作为电极材料应用到有机太阳电池、染料敏化、钙钛矿等太阳电池，从而有利于提高电池的转换效率和降低生产成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。